彩色激光打印纸的剖析与研制

平 清 伟， 李 海 洋， 黄 宝 锋， 朝 苗 益 实

( 1.大连工业大学 辽宁省制浆造纸重点实验室， 辽宁 大连 116034;2.日本冲电气工业株式会社 日本媒体实验室， 高崎 370-8585 )

0 引 言

激光打印纸是用于激光打印机的纸张，有出色的打印质量，其性能高于普通复印纸，是办公用纸最大的一部分。彩色激光打印机是低成本、高效率的优质彩色打印输出设备。近年来，彩色激光打印机的市场需求呈现爆发性的增长，也促使彩色激光打印纸的市场需求量不断加大。目前，这种纸张的生产技术主要掌握在日本、美国等国家，且均用化学木浆制造，成本较高。本文对彩色激光打印纸进行成分剖析，确定其制浆、抄纸工艺，并用针叶木浆、苇浆、红麻全秆配比抄造出新型激光彩色打印原纸，可以降低打印机用纸成本，节约木材用量。

1 实 验

1.1 原料及仪器

主要原料及药品：彩色激光打印纸样纸；氨水、草酸铵、盐酸、浓硫酸、四氯化碳、乙醇为分析纯试剂；沉淀碳酸钙、阳离子淀粉、AKD、PAE为市售工业级产品。

主要实验仪器：电子显微镜，XSP-11CE/XSP-11CZ，上海长方光学仪器有限公司；红外光谱分析仪，GC-9A型，日本岛津制作所。

1.2 方 法

1.2.1 样纸剖析

格拉夫C染色剂染色：分离的样纸，格拉夫C染色剂染色后，在电子显微镜下观察浆料色泽、纤维形态、测量纤维长和宽度。

样纸所含有机物添加剂分析：用有机溶剂抽提样纸，然后对抽提物做红外光谱分析，通过所得的特征峰推断可能含有的基团，从而推测纸中所含的有机物[1]。

样纸所含无机物添加剂分析：按GB/T 2679.12—1993所规定的方法灼烧样纸，对所得灰分进行化学分析(如图1)[2]和仪器分析(红外光谱)，综合对照，推断出纸中所含的无机物。

图1 灰分化学分析流程Fig.1 Chemical methods process

1.2.2 打印纸试制

针叶木商品化学木浆、烧碱法苇浆、红麻全秆硫酸盐浆按一定比例并添加相应造纸化学品配抄，并对比试制纸张与样纸的主要性能指标。

2 结果与讨论

2.1 样纸的纤维原料及制浆方法

2.1.1 制浆方法

格拉夫C染色剂染色样纸纤维，呈色反应为：深蓝色到蓝紫色。由此可判断制浆方法为硫酸盐法或烧碱法[3]，由此可初步判定样纸所用浆料为漂白碱法浆。

2.1.2 纤维原料

(1)纤维长度

数码电子显微镜测量样纸所用原料纤维的平均长度是0.899 mm，平均宽度为16.5 μm。

(2)纤维形态

电子显微镜观察到的纤维形态如图2、3所示。从图2、3 所示纤维形态可以看出，纤维尖削，相对短小，可能是禾草或阔叶木纤维。结合所测得的纤维长度、宽度可以断定样纸是用同种纤维抄造的。进一步观察，发现浆中杂细胞含量较少，并且纤维细胞壁上布有单纹孔，由此可判定所用原料不是禾草，经过与《中国造纸原料纤维特性及纤维图谱》中的相关图谱[4]对照，纤维形态和纹孔特征与杨木纤维一致。由此可断定样纸所用纤维为杨木纤维。参照“2.1.1”的分析结果，加之国外木浆均采用硫酸盐法蒸煮，所以可以断定样纸是用杨木漂白硫酸盐浆抄造的。

图2 纤维形态图(放大100倍)Fig.2 Fibre morphology (magnify 100 times)

图3 纤维形态图(放大400倍)Fig.3 Fibre morphology (magnify 400 times)

2.2 样纸有机添加物分析

2.2.1 化学法分析

取约60 cm2样纸，撕碎，用100 mL蒸馏水煮沸20 min后过滤，取出几滴滤液加入几滴0.01 mol/L碘溶液混合，立即显蓝色，说明有淀粉存在。将滤液中加入2 mL浓盐酸以破坏淀粉的干扰，再煮沸15 min。取几滴水解液加入几滴碘溶液，出现黄色说明淀粉完全水解，放置一段时间后不显蓝色后，蒸浓至约25 mL，冷却。取5 mL溶液于试管中，加入一滴碘溶液和一滴浓盐酸放置20 min后，不显蓝色，再加入几颗硼酸晶体，观察仍然不显蓝色。

通过上面的分析，可断定样纸中含有淀粉，但不含PVA[5]。

2.2.2 红外光谱法分析

称取5 g样纸，用四氯化碳溶液抽提10 h，然后将抽提液用红外光谱仪进行扫描，得到图4，并与AKD和PAE的红外光谱图作比较，详见图5、6。

对照比较，抽出物在1463 和618 cm-1处的吸收峰是纸浆中PAE的特征吸收峰(与PAE标准图谱比较吸收峰位置有偏移)。AKD与纸浆中纤维素上的羟基发生反应，四元内酯环打开，产生β-二酮结构，而β-二酮结构除在1 720～1 750 cm-1附近有特征峰外，还会在1 610 cm-1附近有一个伴生峰[6]，这些特征峰都体现在图4中。由此可确定样纸中添加了PAE和AKD。

图4 样纸四氯化碳抽出物红外光谱图Fig.4 IR spectrogram of CCl4 extraction of pattern paper

图5 AKD红外光谱图Fig.5 IR spectrogram of AKD

图6 PAE红外光谱图Fig.6 IR spectrogram of PAE

2.3 样纸灰分分析

2.3.1 化学法分析

按图1的方法分析灰分，经稀盐酸处理后全部溶解，有气体产生，说明灰分全部为酸溶灰分。滤液中加草酸铵，煮沸有白色沉淀，说明含有钙基，而其他步骤中现象不明显，由此可推断灰分中含有碳酸钙。

2.3.2 红外光谱法分析

碳酸钙的标准红外光谱谱图见图7，样纸灰分的红外光谱谱图见图8。

图7 CaCO3红外光谱图Fig.7 IR spectrogram of CaCO3

图8 样纸灰分红外光谱图Fig.8 IR spectrogram of the ash

从图7中可以看出，碳酸钙有3个特征吸收峰，分别出现在1 422(强而宽)、875(弱而尖)和712(弱而尖)cm-1[7]处。图8样纸灰分红外谱图在1 451(强而宽)、873(弱而尖)和712(弱而尖)cm-1处也出现特征吸峰，对比图7、8，两者特征峰出现的位置与强度基本吻合，少许偏移是灰分中含有其他杂质造成的。由此可断定样纸中添加的填料是碳酸钙。

2.4 彩色激光打印纸的研制

2.4.1 浆料配比

以漂白硫酸盐针叶木浆、漂白烧碱苇浆和漂白硫酸盐红麻全秆浆的打浆度、配比为变化因素做正交试验，确定最佳条件为：m[针叶木浆(21°SR)]∶m[苇浆(35°SR)]∶m[红麻全秆(65°SR)]=20∶50∶30。

2.4.2 纸内添加物

以CaCO3用量、淀粉用量、AKD用量、PAE用量为变化因素做正交试验，确定纸内添加物最佳条件为：CaCO3用量14%、淀粉用量1%、AKD用量0.5%、PAE用量0.8%。

2.4.3 与样纸作比较

按“2.4.2”最佳条件抄纸并与样纸作比较，见表1。

表1 研制纸与样纸性能比较Tab.1 The performance comparison between trial-manufacter paper and the pattern paper

由表1可见，以草浆为主研制的纸张，除裂断长偏低外，其他指标已接近或达到样纸要求。

3 结 论

(1)样纸采用杨木漂白硫酸盐浆抄造。

(2)样纸采用碳酸钙做填料。

(3)样纸采用淀粉类增强剂、AKD中性施胶剂，并用PAE做AKD的增效剂。

(4)用m[漂白硫酸盐针叶木浆(21°SR)] ∶m[漂白烧碱苇浆(35°SR)] ∶m[漂白硫酸盐红麻全秆浆(65°SR)]=20∶50∶30的配比配抄，并添加14% CaCO3做填料、1% 阳离子淀粉作增强剂、0.5% AKD作施胶剂、0.8% 的PAE，所试制出的彩色激光打印纸，除裂断长偏低外，其他指标已接近或达到样纸要求。

[1] 张页录,王都义. 纸张中填料的检测[J]. 纸和造纸, 2004, 3(2):85-87.

[2] 钱云珠. 加工纸剖析方法的探讨[J]. 上海造纸, 1991, 22(2):14-20.

[3] 石淑兰,何福望. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京:中国轻工业出版社, 2002.

[4] 王菊华. 中国造纸原料纤维特性及纤维观察图谱[M].北京:中国轻工业出版社, 1999:170-172.

[5] 布朗宁 B L. 纸的分析[M]. 曹金选译. 北京:轻工业出版社, 1982.

[6] 柯以侃,董慧茹. 分析化学手册:第3分册 光谱分析[M]. 北京:化学工业出版社, 1998.

[7] 陈允魁. 红外吸收光谱法及其应用[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1993.